Je li vodikova voda zapaljiva? Male količine plina u bocama, objašnjene

Boca za vodikovu vodu koristi elektrolizu kako bi u vodu dodala otopljeni plinoviti vodik, a vodik je doista zapaljiv, pa zabrinutost na prvi pogled nije nerazumna. U praksi je važno odgovoriti na uže pitanje: koliko plinovitog vodika jedna boca zapravo proizvede i približava li se ta količina, kada se boca upotrebljava prema njezinoj namjeni, koncentraciji i uvjetima koje sigurnosna literatura o vodiku povezuje s paljenjem. Kad izračunate stvarne količine, odgovor postaje pitanje aritmetike, a ne intuicije, i brojevi su znatno ispod praga zbog kojeg bi zatvorena boca na vašem pultu predstavljala opasnost od požara.

• Mješavina plinovitog vodika i zraka zapali se samo unutar određenog raspona koncentracije, a boca koja se upotrebljava pravilno nikad se ne približi njegovoj donjoj granici.
• Količina plina koju proizvede jedna boca, preračunata iz laboratorijski izmjerene koncentracije otopljenog vodika, iznosi otprilike nekoliko žlica, a ne količinu za cijeli spremnik.
• Za eksploziju su potrebni i vodik i oksidans, poput kisika, u zatvorenom prostoru; otvorena boca s ventilacijom u zraku prostorije ne stvara takve uvjete.

Zašto se postavlja ovo pitanje

Kratak je odgovor da sićušna količina plinovitog vodika koju boca proizvodi, a koja se ispušta u otvorenu prostoriju na način predviđen za upotrebu proizvoda, ne stvara zapaljivu mješavinu. Sam vodik je kao element zapaljiv, baš kao što su zapaljivi prirodni plin ili benzinske pare, i nema smisla tvrditi suprotno. Korisnije je pitanje, na koje ovaj članak i odgovara, koliko plina ima u bilo kojem trenutku i koja bi koncentracija i okruženje bili potrebni da bi se taj plin uopće mogao zapaliti. Tako postavljeno, pitanje prestaje biti strah s odgovorom da ili ne te se svodi na jednostavnu usporedbu male, izmjerene količine i znatno većeg praga.

Što se zapravo događa u boci kad proizvodi vodik

Unutar boce PEM/SPE ćelija za elektrolizu razdvaja dio molekula vode te proizvodi otopljeni vodik s jedne strane membrane, a kisik i tragove ozona s druge strane. Cijeli mehanizam elektrolize detaljno je obrađen drugdje, pa je za ovaj članak dovoljno znati rezultat: vodik se otapa u samoj vodi, umjesto da se skuplja u džepu slobodnog plina. Sigurnosni prsten za automatsko ispuštanje na boci Core osmišljen je upravo oko te razlike. Omogućuje da nusproizvodi kisik i ozon izađu iz komore, dok vodik ostaje otopljen u vodi, pa se u ćeliji ne nakuplja plinoviti vodik u zatvorenom prostoru kao u spremniku pod tlakom.

Što je zapravo potrebno da bi nešto bilo „zapaljivo”

Sigurnosna istraživanja vodika zapaljivost mjere kao raspon, a ne kao jednu točku paljenja. Prema Nacionalnim laboratorijima Sandia, općeprihvaćena donja granica zapaljivosti vodika u zraku za plamen koji se širi prema gore iznosi 4 % volumnog udjela vodika, a taj se prag povećava na otprilike 8,5–9,5 % za plamen koji se širi prema dolje ili sferično zbog male gustoće vodika (izvor: Granice zapaljivosti mješavina vodika i zraka, Nacionalni laboratoriji Sandia). Cijeli raspon zapaljivosti obuhvaća otprilike 4–74 % vodika u zraku, a iako je minimalna energija paljenja vodika blizu sredine tog raspona vrlo niska, za paljenje mješavine na samoj donjoj granici potrebno je znatno više energije (izvor: Informativni list o sigurnosti vodika, Ministarstvo energetike SAD-a). Za postizanje bilo koje točke unutar tog raspona potreban je i oksidans. U istom informativnom listu Ministarstva energetike navodi se da eksplozija ne može nastati u spremniku ili bilo kojem zatvorenom prostoru u kojem se nalazi samo vodik; mora biti prisutan i kisik, i to otprilike 10 % čistog kisika ili 41 % zraka, da bi mješavina uopće mogla postati eksplozivna.

Otopljeni vodik u vodi i slobodni plinoviti vodik u zraku — zašto se donja granica zapaljivosti ne odnosi na samu vodu

Donja granica zapaljivosti opisuje plinoviti vodik pomiješan sa zrakom, a ne vodik otopljen u tekućoj vodi. Čaša vodikove vode na vašem stolu uopće nije mješavina plina i zraka, pa se vrijednost od 4 % ne može uzeti u obzir dok dio otopljenog vodika ne napusti vodu i ne dospije u okolni zrak. Uzgon, mala veličina molekula i velika difuzivnost vodika također znače da se, kad napusti vodu, vrlo brzo raspršuje prema gore i prema van, umjesto da miruje na jednom mjestu. To je velik dio razloga zbog kojih se u smjernicama za sigurnost vodika otvorene i prozračene prostorije tretiraju posve drukčije od zatvorenih spremnika ili zatvorene opreme.

Izračun: koliko plina jedna boca zapravo ispušta

Da bismo realno procijenili količinu plina, u ovom se primjeru upotrebljava neovisno provjereni laboratorijski rezultat, a ne marketinška specifikacija. Na stranici proizvoda Core navodi se izlazna vrijednost „do 5000 ppb”, ali taj broj označava najveću vrijednost koju navodi prodavatelj, a ne rezultat mjerenja. U Izvješću o neovisnom laboratorijskom certificiranju Hydrion Core & Pulse opisan je neovisni test koji je proveo H2 Analytics plinskom kromatografijom s kalibracijskim plinovima sljedivima do NIST-a, kao i analiza sigurnosti vode koju je proveo laboratorij SGS Silver State Analytical Laboratory. Pri testiranju u boci od 375 ml izmjerena je koncentracija otopljenog vodika od 9,00–9,14 mg/l nakon 20 minuta. Vrijedi napomenuti i sam testni volumen od 375 ml, jer se razlikuje od komore od 300 ml navedene na maloprodajnoj stranici proizvoda; u ovom se primjeru zajedno upotrebljavaju testirana vrijednost i testni volumen, a ne miješaju se.

Ako uzmemo gornju izmjerenu vrijednost od 9,14 mg/l u cijeloj boci od 375 ml (0,375 l), ukupno dobivamo oko 3,43 mg otopljenog vodika. Molarna masa vodika iznosi 2,016 g/mol, pa 3,43 mg odgovara otprilike 0,0017 mola. Pri standardnoj temperaturi i tlaku jedan mol bilo kojeg plina zauzima 22,4 litre (izvor: Avogadrov zakon, Chemistry LibreTexts), pa 0,0017 mola odgovara otprilike 38 mililitara plinovitog vodika, odnosno otprilike dvjema i pol žlicama. Ovo je izračun najnepovoljnijeg slučaja: pretpostavlja se da sve otopljene molekule vodika u boci istodobno napuštaju vodu u obliku plina, što se ne događa pri uobičajenoj upotrebi, kada vodik ostaje otopljen i unosi se pijenjem, umjesto da se odjednom ispusti.

Čak i kad bi se ispustilo tih 38 ml u najnepovoljnijem slučaju, za dosezanje donje granice zapaljivosti od 4 % sav bi se taj plin, nerazrijeđen, morao zatvoriti u prostor s manje od litre zraka, jer 38 ml podijeljeno s 4 % iznosi otprilike 950 ml ukupne mješavine. Ta je usporedba namjerno hipotetska: opisuje zatvoreni spremnik koji sadrži samo taj plin i malu količinu zraka, što nije način na koji se boca otvara, upotrebljava ili čuva.

Zašto se takvi uvjeti ne stvaraju pri uobičajenoj upotrebi boce

Boca za vodikovu vodu između ciklusa upotrebljava se s otvorenim čepom, a tijekom elektrolize nakratko se zatvara, i to u uobičajenom zraku prostorije; ne funkcionira kao zatvorena tlačna posuda ispunjena čistim vodikom. Vodik koji izađe iz vode gotovo se odmah raspršuje prema gore u zrak prostorije, umjesto da se nakuplja bilo gdje u blizini zapaljive koncentracije, iz istih razloga povezanih s uzgonom i difuzivnošću koji su opisani iznad. Tlak koji ponekad osjetite pri otvaranju čepa i razlog zbog kojeg boca u dnu ima malu ventilacijsku rupicu mehaničke su pojedinosti, a ne pitanja zapaljivosti; o njima se zasebno govori u člancima o tome zašto boca šišti ili se teško otvara i čemu služi otvor za ventilaciju na dnu.

Razumna, uobičajena upotreba

Sve ovo ne mijenja način na koji biste trebali upotrebljavati ili čuvati bocu: slijedite upute koje dolaze uz Hydrion Core Boca za vodoničnu vodu, a malu, izmjerenu količinu plina navedenu iznad uzmite kao kontekst, a ne kao razlog za promjenu svojih navika. Važno je i precizno formulirati samu tvrdnju. Točno je reći da količina plina koju jedna boca proizvede, pri koncentracijama koje doista postiže, ostaje znatno ispod količine koja bi bila potrebna da se u zatvorenoj posudi stvori zapaljiva smjesa, a ne da otopljeni vodik ni u kojim okolnostima ne može izgorjeti. Ta razlika utemeljuje umirujući zaključak u istim brojkama koje smo upravo razmotrili, umjesto u općoj tvrdnji koja nadilazi ono što dokazi podupiru. Za širi pregled nuspojava, mitova i opće sigurnosti, ne samo zapaljivosti, pročitajte članak Je li vodikova voda sigurna?, a ako želite saznati što zapravo mjere vrijednosti ppb navedene na proizvodima s vodikovom vodom, članak PPB u odnosu na PPM u vodikovoj vodi objašnjava jedinice koje stoje iza ovdje upotrijebljenih laboratorijskih rezultata.